榕树-榕小蜂互惠合作系统中的非对称性博弈

榕树及其传粉榕小蜂是自然界中目前所知道的关系最为紧密的互利共生系统之一。随着研究的深入, 越来越多的证据发现榕树-传粉榕小蜂之间互惠合作的过程中存在着复杂的竞争和对抗关系, 例如榕树与传粉榕小蜂之间对公共资源的竞争、传粉欺骗与宿主对传粉者的惩罚、榕树与传粉小蜂之间的“军备竞赛”等。在相互竞争或者对抗关系中, 双方表现出非对称性相互作用。其非对称性关系主要表现出如下3个特征: (1)收益不对称, 即榕树(宿主)与传粉榕小蜂(共生体)之间在资源利用等方面的实力不对称; (2)榕树与传粉榕小蜂之间的信息不对称; (3)进化速率不对称。这些非对称的相互作用可能导致种群的波动、榕树与传粉榕小蜂相互适应和进化策略的变化。因此, 理解榕树与传粉榕小蜂之间的非对称交互作用有助于理解为什么合作和冲突在互利共生关系中经常能同时存在, 也将有助于解释榕树-传粉榕小蜂种间相互关系和物种的多样性。     

榕树——传粉者共生体系的研究

榕属（Ｆｉｃｕｓ）植物与它的传粉昆虫榕小蜂之间有丰专一性的互惠共生关系,它们是动植物间历史悠久关系最密切的共生伙伴,它们在形态结构,生理功能,生活史同步上构成了榕树－传粉者共生体系并协同进化至今,本文论述了榕属植物和榕小蜂的生物学特征以及二者的相互作用,阐述了榕树－传粉者共生体系的构成,维持及其生物学意义。     

传粉榕小蜂与榕树的繁衍

榕树传粉现象被广泛地作为研究协同进化特别是互惠共生的重要模式之一。本文总结了榕果与传粉榕小蜂的有关研究,试图解释其形态结构之间的相互适应,总结传粉榕小蜂的传粉行为,探讨传粉榕小蜂在雌雄同株及雌雄异株榕树上的传粉模式,讨论传粉榕小蜂的寄主专一性,并展望中国在榕小蜂方面的研究前景。     

榕树-榕小蜂的物种共形成

榕树-榕小蜂的互惠共生是植物与其传粉者间相互作用的最极端的特例,几乎每一种榕树均由榕小蜂科的一种特定昆虫传粉,而它们的小蜂也只能在此特定榕树种的花内养育它们的幼虫,构成了高度的种专一性(一对一原则).因此榕树及其传粉昆虫间的相互作用被看作是专性互惠共生的最极端特例,也引起人们对它们共趋异及物种形成的诸多推测.对目前榕树一榕小蜂的物种共形成的研究进行了回顾与阐述,希望能对全面认识这对完美的共生伙伴及物种共形成机制提供一些启示.     

榕树种间杂交研究进展

杂交是生物进化的重要方式和新物种的重要来源, 在植物界普遍存在, 但在不同植物类群中的发生率差异很大。高度专性传粉体系中, 宿主植物和传粉者经历长期协同进化, 形成远高于其他物种的互利共生机制和合子前生殖壁垒, 被认为不太可能发生种间杂交。榕树和传粉榕小蜂是动植物间专性传粉关系的典范, 甚至发展出一对一高度专性关系。但随着研究的深入, 发现了一定程度的宿主转移现象, 引发学者对榕树种间杂交的研究和探讨。本文从人工杂交、外来种和本地种杂交、岛屿种自然杂交、同域分布近缘种自然杂交, 以及利用系统发育不一致推测杂交等5个方面, 综述了榕树种间杂交的研究进展, 并对未来研究进行展望。同一亚属内人工榕树种间杂交F₁代一般可育, 不同亚属榕树的种间杂交亲和性强度在不同性系统上表现有所不同。种间存在单向或不对称的双向基因流, 依赖专性传粉榕小蜂传粉可能使得渐渗杂交成为榕树种间杂交的主要方式。一系列的合子前隔离机制, 包括化学隔离、形态隔离、地理隔离、生态隔离、季节隔离等有效维持了榕树物种在遗传和形态上的完整性; 而合子后隔离作用较弱, 传粉榕小蜂在非专性宿主上的繁殖适合度一般表现为显著降低。未来有待在评估杂交对榕树生物多样性和榕-传粉榕小蜂共生体系稳定性的影响, 分析榕树天然杂交带的杂交模式, 以及探讨影响宿主转移和榕树杂交的因素等方面开展深入研究。     

榕树及其传粉榕小蜂的系统发育和协同进化研究现状及展望

榕属(Ficus)是有花植物中最大的木本属,全世界有750多种.榕树及其传粉榕小蜂形成的种类专一的互惠共生系统,长期以来被作为研究共生系统比较生物学和协同进化的模式材料.虽然从20世纪90年代才开始对榕树一榕小蜂体系开展分子系统发育研究,但由于这个体系的特殊性和分子技术的快速发展,越来越多的学者开始利用分子学手段来研究榕一蜂共生系统的一系列生物学问题.本文总结了近年来对榕树及其传粉榕小蜂开展的系统发育及协同进化方面的研究,并分析了中国此方面的研究现状,对未来的研究趋势和前景进行了展望.     

垂叶榕上16种榕小蜂的种群动态

传粉榕小蜂和榕树的互利共生是传粉昆虫与植物间协同进化的典范。在榕果(榕树的隐头状花序)内,还生活着多种非传粉榕小蜂。这些生活在密闭榕果内由传粉榕小蜂和非传粉榕小蜂组成的群落对研究群落生态学有很大价值。然而,对生存在单一榕树的榕果内的所有榕小蜂的种群动态了解很少,特别是缺少相对长期的连续数据。通过野外近3a观察和采样,研究了垂叶榕榕小蜂群落结构和榕小蜂的种群动态。共记录榕小蜂16种;各种榕小蜂根据发生规律可分为常见种和偶见种,Eupristina koningsbergeri,Philotrypesis sp.1,Philotrypesis sp.4,Philotrypesis sp.5,Sycoscapter sp.1,Walkerella benjamini,Walkerella sp.1,Sycophila sp.2,Sycobia sp.2为常见种;Sycobia sp.1,Acophila sp.1,Sycophila sp.1,Ormyrus sp.1等为偶见种。每种榕小蜂在单果上的数量随季节呈波动变化,季节对榕小蜂群落的多样性和均匀性无显著影响。除了传粉榕小蜂外,Sycoscapter sp.1也是优势种类之一。传粉榕小蜂的数量与非传粉榕小蜂总数间呈显著负相关。传粉榕小蜂与非传粉榕小蜂几乎都呈负相关,而与Walkerella sp.1在数量上呈显著正相关。Sycobia sp.2与Sycophila sp.2在同一瘿中出现,数量上呈显著正相关。但其它非传粉榕小蜂种类在数量上的相关性较为复杂,可能是造成各种榕小蜂数量波动的一个原因。     

榕-传粉榕小蜂间的专一性与协同进化

共生体系的长期维持引发了一系列进化问题, 特别是共生双方的相互适应、协同进化成为进化理论的一大挑战。榕和传粉榕小蜂是目前所知的专性最强的共生体系之一, 两者异常丰富的物种组成以及宿主多样的生活型为以上问题的研究提供了理想的体系。早期认为榕与其传粉小蜂间均为狭义协同进化, 一对一原则在该体系中具有普适性。然而近年来发现越来越多的例外, 特别是宿主转移现象在某些地区、某些榕属类群中的普遍存在, 使榕及其传粉小蜂间严格的物种专一性及协同进化发生在物种水平的观点受到质疑, 最近提出了一个新的协同进化模式来解释榕与其传粉小蜂的对应关系。榕与传粉小蜂间的进化模式说明两者间既有狭义的协同进化, 也有发散协同进化关系, 从而导致它们之间物种专一性不同。目前, 两种协同进化模式在该系统中的相对重要性仍存在很大争议, 不同地区、不同榕属类群中两者的物种专一性程度和产生原因可能有很大差异, 榕与传粉榕小蜂系统的复杂性决定了不能将某些地区和某些类群的结论简单扩展, 有关该体系协同进化主导模式的正确评判有待于对不同地区和不同榕属类群对应传粉小蜂的物种组成、来源方式, 以及共生双方的系统发生关系进行更广泛、更深入的研究。     

榕树–榕小蜂协同进化中的非对称性相互作用及其集合种群效应

在协同进化研究中,传统观点认为物种之间的相互作用是对称性的,在进化过程中将形成一个稳定的均衡状态或进化稳定策略。然而,近来的观测和实验数据表明,物种间的协同进化可能存在非对称性相互作用,而且这种非对称性可能造成集合种群效应(metapopulation effect)或形成非均衡状态(例如混沌,chaos)。本文利用"榕树–榕小蜂"这一经典的协同进化模式系统来介绍协同进化过程中的非对称性相互作用,以及这种非对称性如何产生集合种群效应。在榕–蜂共生系统中,栖身于榕果中的榕小蜂除了传粉小蜂之外,还有一些"投机"的非传粉小蜂。非传粉小蜂比传粉小蜂具有更强的竞争力,而榕树则可惩罚不合作的非传粉蜂,同时奖励合作的传粉小蜂,从而形成了复杂的非对称性种间相互作用。在某个斑块生境中,非传粉小蜂通过竞争作用排斥传粉小蜂,然而随着非传粉小蜂在蜂群中的比例不断升高,榕树惩罚作用(如落果等)常常会导致整个非传粉蜂群的数量急剧下降,甚至局域性灭绝。随后,其他斑块的传粉小蜂则迁移过来填补空白。然而,随着传粉小蜂种群的数量增长,该斑块又会集聚更多的投机性非传粉小蜂,进而诱发榕树再次进行惩罚。这样的非对称性相互作用导致了非传粉小蜂、传粉小蜂以及榕树种群的集合效应,其种群大小呈现周期性的"此消彼长"式的循环。     

榕树-传粉者共生体系的协同进化与系统学研究进展及展望

 榕树-传粉者共生体系是目前植物与昆虫协同进化研究中的典型模式之一。国内外已经开展了大量的相关研究,从不同方面探讨了其特殊的一一对应的共生关系。榕树-传粉者的专一性互惠共生关系中蕴含了与系统发育有关的多因子协同进化的机理,因此,进行系统发育研究将有助于更好地揭示榕树-传粉者的协同进化历史和理解二者的专一性互惠共生关系。本文简单地介绍了目前榕树及其传粉者共生体系的研究状况之后,论述了榕树-传粉者协同进化的系统发育分子生物学研究成果。同时针对国际上在榕属植物的传统的系统与分类研究中存在的一些分歧及榕树传粉者亚科分类不匹配等问题,回顾了榕属的分类研究进展及其与传粉者的关系。最后,结合我国榕树与传粉者共生体系的研究状况对我国榕属的重新分类和系统发育研究作了展望。     

高榕雌花期传粉榕小蜂和欺骗性小蜂的繁殖特点

榕树及其专一性传粉榕小蜂组成了动植物界最为经典的协同进化关系,传粉榕小蜂演化出欺骗性是非常罕见的。在雌雄同株的高榕隐头果内,共存着一种传粉榕小蜂Eupristina altissima和一种欺骗性的小蜂Eupristina sp.,两种小蜂在雌花期进入隐头果内繁殖,但有不同的繁殖特点。对比研究了两种小蜂从成虫羽化到产卵和传粉这个阶段的雌蜂个体大小、孕卵量及繁殖差异,结果表明:羽化期两种雌蜂的平均个体小,经飞行小个体的雌蜂易死亡,大个体雌蜂到达接受树,但通过苞片通道,一些个体较大的传粉榕小蜂被夹死导致进入果腔的雌蜂相对小,而欺骗性小蜂易通过苞片以至进入果腔的雌蜂个体较大。两种未产卵雌蜂均表现为个体大者孕卵量较多,但两种雌蜂的平均孕卵量没有差异。即使有充足雌花资源产卵,两种雌蜂均未产完所有卵,产卵后两种雌蜂卵巢中的卵量均显著减少,遗留下的卵量两种小蜂间没有差异。传粉榕小蜂只有部分个体传完所携带花粉,并表现为传粉越成功的雌蜂,产卵越多。存在种内竞争时,两种小蜂的产卵量均减少,传粉榕小蜂的传粉效率也降低。在种间竞争背景下,欺骗性小蜂产卵更成功,传粉榕小蜂的产卵和传粉量均受到极大抑制。研究结果说明雌花期隐头果内传粉榕小蜂只适量利用雌花资源产卵繁殖后代,更有效地传粉繁殖榕树种子,这可能是维持榕-蜂互惠系统稳定共存的重要机制之一;欺骗者稳定存在需降低与传粉者的直接竞争,而欺骗者和传粉者分散在不同果内,甚至是不同的树上繁殖是理想的繁殖策略。     

利用PCR-RFLP技术鉴定传粉榕小蜂隐种混合样品的物种组成

隐种(cryptic species)是指形态上几乎完全相同但遗传组成存在显著分化的物种。在榕树–榕小蜂一对一共生系统中, 传粉榕小蜂隐种的发现对协同进化、物种共存等重要的生态和进化理论提出了严峻的挑战。因为很难从形态上直接区分隐种, 所以, 相关研究中的一个迫切需要解决的问题就是如何快速而准确地鉴定隐种。本文采用PCR-RFLP方法分析了mtDNACOI基因片段, 对木瓜榕(Ficus auriculata)和鸡嗉果榕(F. semicordata)的传粉榕小蜂隐种进行了区分。结果表明为木瓜榕传粉的大果榕小蜂(Ceratosolen emarginatus)存在两个隐种(A和B), 分别包含1个XhoI和1个BssSI酶切位点。将两个隐种的样品按不同比例混合, 提取基因组DNA, PCR扩增mtDNA COI片段, 经XhoI和BssSI分别酶切, 均能通过酶切图谱准确检测出混合样品的隐种组成。鸡嗉果榕小蜂(C. gravelyi)两个隐种的mtDNA COI基因序列也存在较大差别, 分别包含1个BmrI和1个AvaI酶切位点, 隐种混合样品经BmrI和AvaI分别酶切的结果也能准确鉴定混合样品的物种组成。我们的结果表明基于PCR和DNA酶切技术能快速而准确地区分传粉榕小蜂的隐种。     

基于集合种群理论框架的榕树-榕小蜂互惠系统动力学模型

互惠共生指双方物种都能通过对方增加适合度的种间关系。榕树与榕小蜂的传粉关系是自然界中典型的互惠共生系统,这种互惠关系发生在榕果中,也就是榕果是种间作用的场所,榕小蜂在其中传粉和产卵。由此,可以把榕果看作榕小蜂的生境斑块,利用集合种群理论框架构建榕树与榕小蜂互惠关系的动力学模型,研究这个互惠系统的稳定性和续存条件。由于这里的生境斑块(榕果)的动态变化性(榕果产生和掉落),模型不同于传统的生境斑块固定不变的集合种群模型,增加了描述生境动态的维度。模型表明:(1)榕果产生率足够大(大于一个阈值)是榕树与榕小蜂互惠系统能够续存的必要条件;(2)榕树和榕小蜂互惠系统存在双稳态现象(Allee效应),这个互惠系统续存需要种群大小超过一个阈值,换言之,种群大小低于这个阈值时,系统必然灭绝;(3)榕果产生率增加使榕小蜂种群增加,但不会影响未被占据的榕果数量。我们的模型不但可用来研究榕树与榕小蜂互惠系统的动力学性质,而且也是集合种群理论斑块动态化的发展。     

钝叶榕果实内繁殖的两种榕小蜂与寄主榕树间的协同进化

 榕树(Ficus)及其传粉榕小蜂(Agaonidae)构成了高度专一的互惠共生体系。榕树的果实(以下简称榕果)内也寄生着一些非传粉小蜂。 绝大多数非传粉小蜂在榕果外把产卵器刺入果壁产卵到果腔内, 只有极少数种类能够进入果腔内产卵。在西双版纳地区, 钝叶榕(Ficus curtipes)上的杨氏榕树金小蜂(Diaziella yangi)类似于传粉者钝叶榕小蜂(Eupristina sp.), 它也是进入榕果内产卵繁殖后代的, 这就为比 较研究榕果内产卵小蜂与寄主榕树间的关系提供了材料。该文从形态学、行为学和生态学角度比较研究了这两种进入榕果内产卵的小蜂与寄主 钝叶榕之间的作用关系, 研究结果显示: 1)杨氏榕树金小蜂与钝叶榕小蜂的雌蜂头部形状存在趋同进化; 2)两种小蜂的产卵器的平均长度都比 雌花花柱长, 因而能把卵产在子房里; 3)钝叶榕小蜂从瘿花出来需要3~5 h, 交配需要17~19 min, 杨氏榕树金小蜂从瘿花出来只需18~20 min, 交配时间为20~30 s; 4)在自然群落中, 大约90%的雌花期榕果里都只进一只杨氏榕树金小蜂和一只钝叶榕小蜂, 杨氏榕树金小蜂能通过传粉来 增加榕树种子数量, 但对钝叶榕小蜂种群的繁衍造成了极显著的负面影响; 5)两种小蜂于同一时期进入榕果内繁殖, 子代同期成熟羽化, 发育 期与榕树雄花的发育期同步。研究表明: 进入榕果内繁殖的两种小蜂与寄主榕树之间存在着协同进化关系, 杨氏榕树金小蜂为榕树有效地传粉, 这可能是一个由寄生者向互惠方向进化的实例。     

云南省榕小蜂和榕树的物种组成及多样性

榕小蜂是榕树(Ficus spp．)唯一的传粉昆虫,榕树隐头果又是榕小蜂唯一的寄主：榕树必须依靠榕小蜂传粉才能获得有性繁殖;而榕小蜂又必须依靠榕树隐头果内的瘿花作为食物和栖息场所才能正常生长、发育和繁衍后代,因此两者间有着不可互缺的互惠共生关系,二者缺一就面临着两类物种同时消亡和群落的灭绝。云南是中国榕树和榕小蜂种类最丰富的省份。本文报道了在云南采集到的榕小蜂类群,隶属12属50种。云南的榕树和榕小蜂主要分布在热带和南亚热带地区的河谷和海拔1600m以下区域：随着海拔的升高,两类物种数量随之减少,到了海拔3700m以上地区,除了人工种植外,已无自然分布的榕树种群。榕小蜂的个体数量、物种丰富度、多样性指数都是在滇南地区热带雨林内最高,滇西北的高山峡谷区最低。     

榕树隐头花序挥发物组成及其传粉榕小蜂寄主识别行为

榕树(Ficus spp.)通过挥发性化学物质来吸引传粉榕小蜂(Agaonidae),这种特异性的化学信号释放存在着两种模式,一种是释放多种化合物的"泛化"模式,另一种是释放不常见单一化合物的"专化"模式。为揭示榕树(Ficus microcarpa)及其传粉榕小蜂Eupristina verticillata之间的化学通讯机制,该研究采用固相微萃取法提取榕树隐头花序不同发育期(花前期、雌花期传粉前后、间花期、雄花期和花后期)释放的挥发物,并用气相色谱-质谱联用仪鉴定挥发物成分,分析其变化动态,再通过Y型嗅觉仪检测榕树传粉榕小蜂对各发育期隐头花序的行为反应。结果表明:榕树隐头花序释放的挥发性化合物共鉴定出21种,主要是脂肪酸衍生物、萜类化合物和芳香族化合物。不同发育期隐头花序的挥发物组分差异明显,雌花期传粉前后的挥发物差异表现为传粉后萜类化合物含量下降,脂肪酸衍生物含量增加,特别是传粉前含量较高的特征化合物2-庚酮和3-辛酮消失,D-柠檬烯含量下降,而可巴烯、环己烷和2-己烯醛含量上升。行为检测的结果也表明:雌花期隐头花序对传粉榕小蜂的吸引作用最强,而雄花期的隐头花序释放的挥发物对传粉榕小蜂有趋避作用,形成了对传粉榕小蜂"推拉"的互作模式。有多种化合物在榕树传粉榕小蜂的寄主识别过程中发挥作用,表明榕树及其传粉榕小蜂的互惠共生关系是通过多种化合物的"泛化"策略来维系的。     

传粉细蛾与大戟科植物专性授粉的互惠共生体系

在已知的昆虫与植物所形成的专性授粉互惠共生体系中,榕树—榕小蜂、丝兰—丝兰蛾体系是经典实例,国内外学者已经从不同角度进行了大量的研究,为我们理解植物—传粉者互惠共生体系协同进化的机理和历史积累了宝贵的资料。近些年的研究发现鳞翅目细蛾科头细蛾属昆虫与大戟科植物之间也存在相似的协同进化关系。文章对国内外学者有关传粉细蛾与大戟科植物互惠共生协同进化的研究进行了整理。     

环纹榕传粉榕小蜂的传粉模式

榕小蜂的传粉结构、 传粉行为以及寄主榕树的花药胚珠比是判断榕-蜂互惠系统传粉模式的重要依据。本研究于2010年8月至2011年6月对位于云南西双版纳地区的试验样树环纹榕Ficus annulata进行观察, 对出榕果的环纹榕传粉榕小蜂Deilagaon annulatae进行电镜扫描和室内显微镜下对其进行行为观察。电镜扫描显示： 环纹榕传粉榕小蜂D. annulatae位于胸部的花粉筐消失, 具一片可粘附花粉的毛区, 提示其属于被动传粉的种类。传粉行为观察发现, 该蜂没有主动采集花粉的行为, 显然存在的花粉刷已丧失了主动收集花粉的功能。寄主植物环纹榕F. annulata属于典型的自动散粉让榕小蜂沾附花粉的榕树种类。环纹榕传粉榕小蜂D. annulatae是西双版纳热带地区已知58种传粉榕小蜂中唯一体色为黄色的种类, 该蜂偏爱在低温的夜晚出蜂。除了传粉榕小蜂, 一种金小蜂Lipothymus sp.也在雌花期进入榕果内繁殖, 并且其数量显著高于环纹榕传粉榕小蜂D. annulatae (P<0.0001)。自然单果的繁殖中, 环纹榕传粉榕小蜂的数量显著高于种子数量, 呈现出榕-蜂互惠系统中罕见的传粉榕小蜂主导的局面。综合榕-蜂的传粉特征显示, 环纹榕F. annulata及其传粉榕小蜂D. annulatae互惠系统是被动传粉的模式。     

雌花期榕小蜂进入榕果的行为及其活动时间

在西双版纳,钝叶榕传粉榕小蜂Eupristina sp.和杨氏榕树金小蜂Diaziella yangi均在雌花期进入钝叶榕果内繁殖和传粉,比较研究它们进入榕果的行为和活动时间。结果显示:在搜寻苞片处进蜂口时,2种榕小蜂的种内均出现打斗行为,并且杨氏榕树金小蜂的打斗更为激烈,但种间没有打斗行为发生,杨氏榕树金小蜂总是等待钝叶榕传粉榕小蜂先期进入榕果,然后才跟随着进入。在搜寻和进入苞片口通道阶段,钝叶榕传粉榕小蜂均比杨氏榕树金小蜂花费较长时间;而在果腔内产卵、传粉的时间,2种榕小蜂均最多不超过3d。相似的进蜂过程和活动时间,可能是2种榕小蜂与寄主榕树长期协同进化的结果。     

榕树传粉昆虫榕小蜂染色体制备方法研究

榕树与其传粉昆虫榕小蜂之间具有高度专一的互惠共生关系,榕小蜂为榕树传粉的同时又在榕果内营寄生生活,直至完成其整个生活史,因此一直以来对榕小蜂的染色体研究存在很大困难。本文以对叶榕Ficus hispida传粉榕小蜂Ceratosolen solmsi和鸡嗉子榕F.semicordata传粉榕小蜂C.gravelyi为材料,摸索出一套适合于榕树传粉昆虫榕小蜂染色体研究的详细、有效的技术和方法。应用该法对对叶榕传粉榕小蜂C.solmsi和鸡嗉子榕传粉榕小蜂C.gravelyi的染色体核型进行了研究,结果表明两种榕小蜂的染色体核型特征非常相似,具有相同的染色体数目2n(♀)=10,染色体类型全部为中着丝粒染色体,臂数NF=20。此外,在相对长度方面两者也没有明显的差异。最后与Imai等1988年研究蚂蚁染色体时提出的方法进行了比较。利用本文介绍的方法进行榕小蜂染色体制备,操作过程简单、重复性强,不仅能够得到大量的染色体分裂相,而且染色体细胞界限明确、形态清晰、分散良好。